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  隨著柔性電子、可穿戴設備和智能醫療技術的迅速發展，高分子光電材料憑借其優異的柔韌性、可加工性及成本優勢，成為下一代電子器件的重要基礎材料。在這些應用中，高分子光電薄膜不僅需要具備良好的電學性能，更要求在復雜形變（如拉伸、彎曲、扭轉）條件下保持穩定的結構與功能響應。因此，如何準確測量這些關鍵參數，成為制約可拉伸高分子光電材料與器件優化的技術瓶頸。可拉伸光伏、傳感、發光和儲能器件的過程中，高分子光電薄膜的本征力學性能（如拉伸性能、應變穩定性、屈服行為等）成為器件長期穩定運行的關鍵。

  目前主流的光電薄膜力學測試方法，包括“彈性體上薄膜拉伸法(film-on-elastomer, FOE)”（Nat. Mater. 2004, 3, 545）和“水上薄膜拉伸法(film-on-elastomer, FOW)”（Nat. Commun. 2014, 4, 2520），普遍依賴外部基底支撐（圖1a）。例如，FOE是將高分子薄膜置于彈性體基底上，進而研究其在受拉伸或壓縮力作用下的力學行為。而FOW是將高分子薄膜轉移到水面，以水為支撐進行薄膜拉伸測試。然而，這兩種方法都依賴于基底的支撐，這可能在表征高分子薄膜的本征力學性能時造成偏差，導致對其實際性能的高估或誤判，從而制約了對可拉伸材料本征行為的深入理解與工程應用的精準設計（Research, 2020, 2020, 3405826; Nat. Commun. 2021, 13, 2347）。如何實現對高分子超薄膜在完全自支撐狀態下力學性能的精準表征，已成為該領域亟待突破的挑戰性課題。

  近期，天津大學材料科學與工程學院/智能傳感功能材料全國重點實驗室的葉龍教授等人探索出一種薄膜力學性能表征新方法——Freestanding-film Assisted by Smart Transfer（簡稱FAST），實現了對完全自支撐高分子光電薄膜的拉伸性能測試（圖1b），能夠準確反映薄膜在實際應用中的真實力學行為。FAST方法通過巧妙的膜層轉移與支撐設計，能夠真實表征極薄、柔軟、易形變的多類高分子薄膜在無基底支撐條件下的的應力-應變響應，特別適用于分析材料的應變極限、斷裂行為與溫度依賴性，為深入理解其構效關系與設計可拉伸器件提供了重要工具支撐。相關成果以題為“Direct Characterization of Mechanical Properties in Fully Free-standing Polymeric Electronic Films for Stretchable Devices”于2025年6月發表在Macromolecules上。天津大學材料科學與工程學院博士研究生馮錦濤為論文第一作者，葉龍教授為通訊作者。

圖1. (a) 高分子材料力學測試方法的示意圖，展示了測試對象從傳統塊體材料向微米/納米級超薄膜的示意圖。(b) FAST方法示意圖。圖中展示了自支撐聚合物超薄膜的制備流程，包括基底旋涂、界面釋放、薄膜轉移與邊緣固定等關鍵步驟；同時展示了基于該方法的無基底拉伸測試原理，有效避免了應力耦合干擾，實現對高分子超薄膜本征力學行為的精準表征。

  該研究首先以結構簡單的共軛高分子材料P3PT為模型體系，分別探討了薄膜厚度（30–200?nm）、測試溫度（-70?°C至90?°C）及薄膜樣品尺寸（長寬比1:1至1:4）等關鍵參數對其自支撐狀態下力學性能的影響（圖2）。同時，結合掠入射X射線散射（GIWAXS）技術，對不同條件下薄膜的分子取向與結晶結構演變進行了深入分析，揭示了結構-性能之間的關聯機制。實驗結果顯示：較厚的薄膜（如200?nm以上）具有更高的斷裂應變，表現出優異的延展性和韌性；而當厚度減小至30?nm時，斷裂應變明顯下降，同時拉伸模量與最大應力上升，表明薄膜力學行為趨于脆性化。在溫度維度上，低溫（-30?°C）下薄膜呈現出“硬而脆”的特征；隨著溫度升高，薄膜模量和強度略有降低，但斷裂伸長率逐步增加，尤其在50?°C至70?°C之間展現出最佳的拉伸性能；繼續升溫至90?°C時，薄膜的拉伸性能略有下降。上述結果說明P3PT超薄膜的力學行為對熱力環境和結構尺寸高度敏感。

圖2. P3PT自支撐薄膜在不同的厚度(a-c), 不同的樣品尺寸(d-f)以及不同溫度(g-i)下力學性能的變化規律。

  隨著厚度增加，P3PT薄膜結構發生明顯變化：30 nm薄膜中，(100)峰在面內和面外均有強散射，而(010)峰僅在面外方向顯著。增厚后，(100)面外峰強度顯著增強，(010)峰則逐漸向面內方向擴展，最終形成衍射環圖樣。同時，更多散射峰的出現表明薄膜內部形成了較為有序的堆積結構。(100)與(010)峰的相干長度隨厚度增加而變長（圖3），說明側鏈和π-π堆疊在面外方向更趨有序，增強了分子間作用力，可能是厚膜斷裂應變升高的原因。極圖分析（圖3b）顯示分子取向隨厚度調整：(100)峰在0–45°、(010)峰在45–90°方向的強度均隨厚度增加，表明分子側鏈和主鏈堆疊逐步重排。30 nm薄膜中，(100)峰S值為負（側鏈面內排列），(010)峰S值最高（π-π為面朝上）。厚度增加后，(100)峰S值轉正，表示側鏈趨向面外排列；(010)峰S值下降，表明π-π堆疊趨于各向同性。極圖強度歸一化與rDoC結果顯示，(100)和(010)峰有序度隨厚度增加而降低，說明結晶度下降。厚膜分子取向更分散、自由度更大；而薄膜因尺寸限制，分子排列更均勻、結晶度更高。這種結構差異解釋了薄膜變薄時楊氏模量升高的現象。

圖3. 不同厚度和溫度下P3PT薄膜的2D GIWAXS圖(a)，取向結構分析(b)以及相應的結構參數(c)。

  隨后，為了驗證FAST方法的通用性與可靠性，研究團隊進一步將其應用于多種典型的共軛高分子材料體系，如PDPP3T、PM6和IDTBT。通過對不同高分子薄膜在多溫區條件下的力學測試，揭示了此三種材料力學性能的溫度依賴性。實驗結果表明：隨著測試溫度的升高，這些高分子薄膜普遍呈現出從“硬而脆”到“強而韌”再到“軟而弱”的演化趨勢。這一規律體現了高分子鏈段運動能力隨溫度上升而增強的物理機制。該結果不僅說明FAST方法在不同材料體系中均具有良好的適用性與分辨力，也為可拉伸電子材料的應用性能評估提供了新的依據。

圖4. FAST方法測試的PDPP3T(a-c), PM6(d-f)和IDTBT(g-i)的應力-應變曲線、模量和斷裂應變隨溫度的變化規律。

  最后，該研究將FAST方法的應用范圍進一步擴展到結構更為復雜的聚噻吩材料PT4F-Th和高分子彈性體SEBS等（圖5），并在不同的條件（如溫度和薄膜厚度）下測試其力學性能，從而展示了該方法的多功能性和廣泛適用性。該方法為理解多類高分子超薄膜的應變極限、破裂行為和應力-應變關系提供了新的研究手段。

圖5. 自支撐共軛高分子薄膜與惰性高分子薄膜在不同條件下的力學性能表征。

  綜上所述，FAST方法不僅實現了高分子光電薄膜本征力學性能的直接測量，還為深入理解結構—力學性能關系提供了有力工具（圖6）。上述研究表明薄膜厚度、溫度及幾何尺寸等因素均對其薄膜力學行為具有顯著影響，而這些差異最終可追溯至分子堆積結構與取向的演化過程。具體而言，隨著厚度增加，P3PT薄膜由高有序、取向均一的結構逐步過渡至結晶度較低、取向更為分散的狀態，伴隨而來的是材料由高模量、低韌性向低模量、高延展性轉變。更重要的是，FAST方法具備良好的適用性和可擴展性，不同材料體系普遍呈現出“硬而脆—強而韌—軟而弱”的溫度依賴性演化趨勢，為高分子薄膜在不同環境下的力學穩定性評估提供了基礎數據支持。

圖6. 共軛高分子薄膜的FAST方法概述。

  論文鏈接 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.5c00747